CN105393097A - 用于感测的装置 - Google Patents

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Abstract

一种装置包括：传感器(1)，其被配置为感测电磁辐射(15)，其中所述传感器(1)包括感测部(3)和转换部(7)，所述感测部(3)包括热电材料(4)，所述热电材料(4)被配置为响应于入射的电磁辐射(15)，所述转换部(7)被配置为将热电材料(4)的响应转变为输出信号；以及至少一个天线(21)，其被配置为将电磁辐射(15)引导到所述传感器(1)上。

Description

用于感测的装置
技术领域
本公开的实施例涉及用于感测的装置。特别地，它们涉及用于感测电磁辐射的装置。电磁辐射可以在光谱的红外区域。
背景技术
热电检测器是已知的，其将电磁辐射转变成电输出信号。此类检测器可以用于热成像设备。检测器可以被配置为检测在光谱的红外区域中的辐射。然而，此类检测器可能有局限性。
例如，一种类型的热电检测器可以包括在两个电极之间放置的热电材料。如果热电材料是绝缘体，则形成了电容器。电磁辐射(其入射到检测器上)可以导致在热电材料的温度中的增加，其影响在热电材料内的电荷分布。这影响在电容器的板中的每个板上存储的电荷，以及导致在两个电极之间提供的电脉冲。
这些类型的检测器仅能够用于检测温度中的变化。当在热电材料中的电荷分布中有变化时，仅提供电脉冲。因此，为了用于检测入射的电磁辐射，入辐射必须被斩断，以便使得能够提供连续信号输出信号。
此外，由入射的电磁辐射所导致的热电材料的温度增加可能是非常小的。在一些实施例中，温度增加可能在0.01到0.1℃的范围中。这可能仅创建随后可以要求放大的弱输出信号。
由电容性检测器提供的输出信号依赖于检测器的表面面积。因此，减少检测器的尺寸减少检测器的响应性。这使得难于减少检测器的尺寸以及使得难于将检测器集成到其它设备中。
此外，电容性检测器在不同波长的辐射彼此之间不进行区分。电容性检测器能够提供输出信号，该输出信号可以依赖于电磁辐射信号的强度但是它不提供关于在电磁辐射信号内的辐射的波长的信息。
提供克服这些缺陷的用于感测的装置将是有用的。
发明内容
根据本公开的各种但是未必是所有的实施例，提供了一种装置，所述装置包括：传感器，其被配置为感测电磁辐射，其中所述传感器包括感测部和转换部，所述感测部包括热电材料，所述热电材料被配置为响应于入射的电磁辐射，所述转换部被配置为将所述热电材料的响应转变为输出信号；以及至少一个天线，其被配置为将所述电磁辐射引导到所述传感器上。
在一些实施例中，所述转换部可以包括石墨烯。
在一些实施例中，所述转换部可以接近热电材料而被放置，以便在热电材料内的电荷分布中的变化影响由所述转换部提供的输出信号。
在一些实施例中，所述转换部可以覆盖所述感测部而被放置。
在一些实施例中，所述转换部可以在源接触和漏接触之间延伸。在一些实施例中，至少一个天线可以耦合到接触中的至少一个接触。
在一些实施例中，所述至少一个天线可以包括等离子天线(plasmonicantenna)。
在一些实施例中，所述至少一个天线可以被配置为将来自电磁辐射的能量聚集到传感器上以放大入射的电磁辐射对传感器的影响。
在一些实施例中，所述至少一个天线可以被配置为放大入射辐射对热电材料的加热效果。
在一些实施例中，可以针对传感器提供多个天线。在一些实施例中，所述多个天线可以具有不同的谐振波长。
在一些实施例中，至少一个天线可以被配置为具有在电磁光谱的红外区域中的谐振波长。
在一些实施例中，可以提供包括多个如上所述的装置的设备。在一些实施例中，不同的装置可以包括被配置为具有不同谐振波长的天线。
在一些实施例中，可以提供包括多个如上所述的装置的热成像设备。
所述装置可以用于感测。所述装置可以用于感测电磁辐射。在一些实施例中，所述装置可以被配置为感测在电磁光谱的红外区域中的电磁辐射。这可以使得所述装置能够在诸如热成像设备或其它热传感器的设备中使用。
附图说明
为了更好地理解用于理解详细描述的各种实施例，现在将仅通过实施例来参照附图，在附图中：
图1说明了传感器；
图2说明了装置；
图3说明了装置；以及
图4说明了包括多个装置的设备。
具体实施方式
多个图说明了装置10，装置10包括：传感器1，其被配置为感测电磁辐射15，其中传感器1包括感测部3和转换部5，感测部3包括热电材料4，热电材料4被配置为响应于入射的电磁辐射15，转换部5被配置为将热电材料4的响应转变为输出信号；以及至少一个天线21、31，其被配置为将电磁辐射15引导到传感器1上。
图1说明了根据本公开的实施例的传感器1。传感器1包括感测部3和转换部5。
电磁辐射15可以入射在传感器1上。电磁辐射可以包括在光谱的红外区域中的辐射。例如，电磁辐射可以包括具有在5-14μm之间的波长的辐射。红外辐射可以提供红外辐射的源的温度的指示。
在一些实施例中，电磁辐射15也可以包括在光谱的红外区域外侧的辐射。例如，入射的电磁辐射也可以包括在光谱的可见光区域中的辐射。
传感器1的感测部3可以包括可以被配置为响应于入射的电磁辐射15的任何构件。图1的实施例中，感测部3包括热电材料4。热电材料4可以被配置为使得入射辐射将导致在热电材料4内的晶格结构的极化。这导致在热电材料4内的电荷分布中的变化以及从而导致在热电材料4周围的局域电场中的变化。
热电材料4可以包括：任何合适的材料，该任何合适的材料响应于入射的电磁辐射而提供电荷分布中的变化。合适的材料的示例包含锆钛酸铅(PZT),钽酸锂(LiTaO3),铌酸锂(LiNbO3),铌酸锶钡(SrBaNb2O6),氮化镓(GaN),硝酸铯(CsNO3),诸如聚氟乙烯的聚合物或任何其它材料。
转换部5可以包括：可以被配置为将感测部3的响应转变成输出信号的任何构件。在图1的实施例中，转换部5被配置为将由热电场创建的局域电场转变成电输出信号。
在图1的实施例中，转换部5包括石墨烯7层。石墨烯7可以非常薄以及从而可以被放置到非常接近感测部3的热电材料4。在图1的实施例中，提供覆盖热电材料4的石墨烯7。这可以使得石墨烯7对在热电材料4的局域电场中的变化响应比较快。
在图1的实施例中，石墨烯7在源接触9和漏接触11之间延伸。这可以创建针对通过石墨烯提供的电流的通道。通过该通道的电流可以依赖于热电材料4的局域电场。
在图1的实施例中，在转换部5中使用石墨烯7层。在其它实施例中，可以使用不同的材料。在转换部5中使用的材料可以是任何材料，该任何材料可以被制作成薄膜以及覆盖热电材料4而被放置以及其具有依赖于局域电场的传导性。在一些实施例中，转换材料也可以是能够变形的和/或透明的。
在图1的实施例中，传感器1还包括衬底13。热电材料4可以被放置在衬底13上。
衬底13可以包括任何合适的材料。在一些实施例中，衬底13可以包括诸如铝或铜的材料，其擅长吸收电磁辐射。衬底13可以响应于入射的电磁辐射而变热。一旦衬底13在温度中已经增加，则这可以导致在热电材料4的温度中的增加。
入射的电磁辐射15可以导致在传感器1的温度中的变化。在传感器1的温度中的变化可以导致在热电材料4内的电荷分布中的变化，这将导致在局域电场中的变化。局域电场影响在石墨烯7通道中的电流的量，其从而提供表示入射的电磁辐射15的输出信号。
石墨烯7对于入射的电磁辐射15来说可以是透明的，以便入射的电磁辐射15对石墨烯7没有直接影响。在一些实施例中，热电材料4可以是电磁辐射的差的吸收器和/或差的热导体。这可以导致针对给定数量的入射的电磁辐射在热电材料4的温度中的仅小的变化。
如以下关于图2和图3描述的，可以通过将一个或多个天线21、31耦合到传感器1来增加热电材料4的温度中的变化的幅度。
图2说明了根据本公开的实施例的装置10。装置10包括传感器1和至少一个天线21。
传感器1可以是如以上关于图1所描述的。在图2中，在平面图中说明了传感器，因此示出了仅石墨烯7和接触9、11。感测部3将被放置在石墨烯7之下。
在图2的实施例中，接触9、11被形成在天线21中。在图2的实施例中，源和漏接触9、11两者被形成在天线21中。在其它实施例中，接触9、11中的仅一个接触可以被形成在天线21中。
天线21可以包括：任何构件，该任何构件可以被配置为将由入射的电磁辐射15所导致的加热聚集到传感器1上。
天线21可以具有任何尺寸和/或形状。在图2的实施例中，天线21具有领结几何形状。天线21包括两个三角形。在图2的实施例中，三角形是等腰三角形以及第一三角形的顶点被接合到第二三角形的顶点。天线21还可以包括：附件22，其可以被配置为将天线21连接到外部电路。在图2的实施例中，附件22是矩形的。在一些实施例中，附件22可以位于石墨烯7上以改进至石墨烯通道的接触电阻。
天线21可以流电地连接到石墨烯7。这可以使得直流能够在天线21和石墨烯7之间流动以及可以使得天线能够担当接触9、11。
当电磁辐射15入射到天线21上时，天线21可以吸收电磁辐射15。这可以导致在天线21的温度中的增加。
在图2中的天线21的底纹提供了响应于入射的电磁辐射15的天线21的温度的指示。较黑的区域指示具有更高温度的区域。在图2中能够看出的是，天线21的加热被分布到天线21的大部分。
因为天线21担当接触9、11，因此它们可以与如图1中说明的热电材料4直接接触。这可以使得热量能够从天线21传递到热电材料4。因为天线21可以聚集电磁辐射的效果，因此与没有天线21将实现的相比，这可以导致在温度中的更大的变化。在接触的温度中的更大的变化可以提供在热电材料4的温度中的更大的变化，其可以提供石墨烯7的更大响应。
天线21的尺寸和形状可以被选择以使得针对入射的电磁辐射15的特定波长而言加热更高效。例如，天线21可以被选择以具有在光谱的红外区域中的谐振波长。
在图2的特定实施例中，两个天线21具有相同的尺寸和形状。在其它实施例中，天线21可以具有不同的尺寸和/或形状。这可以使得它们响应于不同波长的入射的电磁辐射15。
被选择用作天线21的材料可以包括高损耗材料。这可以导致针对给定数量的入射辐射的更大数量的加热。
图3说明了根据本公开的实施例的另一个装置10。图3的装置10也包括传感器1和至少一个天线31。在图3的实施例中，天线31是等离子天线(plasmonicantenna)31。传感器1可以是如以上关于图1所描述的。在图3中，在平面图中说明了传感器，因此示出了仅石墨烯7和接触9、11。感测部3将被放置在石墨烯7之下。
在图3中提供了仅一个等离子天线31。将认识到的是，在其它实施例中，可以提供超过一个等离子天线31。
与接触9、11分离来提供等离子天线31。等离子天线31可以被提供以便除了石墨烯通道自身之外在接触9、11和等离子天线31之间没有直接金属短路。
在图3的实施例中，在两个接触9、11之间的石墨烯7通道的中间来提供等离子天线31。将理解的是，在其它实施例中，等离子天线31可以被放置在沿着石墨烯7通道的任何点处。
等离子天线31可以被配置为使得入射的电磁辐射15的电磁场能够被聚集到间隙33中。间隙33可以是小的间隙。间隙33可以比天线31的谐振波长小。例如，间隙33可以在50–200nm的范围中。
等离子天线31可以具有任何合适的尺寸和/或形状，以便使得入射的电磁辐射15的电磁场能够被聚集到间隙33中。在图3的实施例中，天线31具有领结几何形状。天线31包括由小间隙33分隔的两个三角形。在图3的实施例中，三角形是等腰三角形以及第一三角形的顶点被放置在第二三角形的顶点的附近。在两个顶点之间提供间隙33。
在图3中的天线31的底纹提供了响应于入射的电磁辐射15的天线31的加热的指示。较黑的区域指示具有更高温度的区域。在图3中能够看出的是，天线31的加热被局限在三角形的顶点中以及在两个顶点之间的小间隙33中。
在间隙33中的温度中的增加可以导致直接在间隙33下的石墨烯7的温度中的增加。这可以进而导致直接在石墨烯7之下的热电材料4的温度中的增加。因为加热效果被局限在小区域中，这可以导致针对该区域的在温度中的相对大的增加。与如果相同数量的电磁辐射直接入射在传感器1上将发生的在温度中的增加相比，在温度中的增加可以是大的。
等离子天线31的尺寸和形状可以被选择以使得针对入射的电磁辐射15的特定波长而言加热更高效。例如，等离子天线31可以被选择以具有在光谱的红外区域中的谐振波长。
在一些实施例中，等离子天线31可以耦合到一个或多个等离子透镜。等离子透镜收集来自大表面面积的入射的电磁辐射。与传感器1的表面相比，透镜的有效表面面积可以是更大的。所收集的辐射然后可以被聚焦到等离子天线31上。等离子透镜可以包括一个或多个金属圆盘。
在图2和图3的示例中，天线21、31具有领结几何形状。在本公开的其它实施例中，可以使用其它形状的天线21、31。例如，天线21、31可以包括由小间隙分隔的两个矩形或由小间隙分隔的两个圆盘或椭圆。
被选择的天线21、31的形状可以取决于多个因素。一个此类因素可以是天线21、31旨在响应于的电磁辐射的波长。如果天线21、31被选择为响应于红外辐射，则天线21、31可以是领结天线21、31或两个矩形。此类天线21、31可能需要响应于具有在微米范围中的波长的电磁辐射。在其它实施例中，天线21、31可以被选择以响应于可见光。在此类实施例中，天线21、31可能需要响应于具有在纳米范围中的波长的辐射以及可能难于以希望的分辨率制作具有诸如领结的复杂形状的天线21、31。因此，针对在光谱的可见光范围中的波长而言，天线21、31可以是圆盘或圆形或椭圆形。
如上所述的装置10提供了装置10，其可以用于感测包含在光谱的红外区域中的电磁辐射的电磁辐射。
天线21、31可以被配置聚焦入射的电磁辐射以造成感测部3的局部加热。这放大了入射的电磁辐射的效果。这增加了装置10的灵敏度，因为针对相同数量的入射的电磁辐射，它给出更大的输出信号。这可以考虑到将被提供的可测量的响应，即使针对低水平的入射辐射。
此外，天线21、31可以被配置为在特定波长处谐振。这可以使得装置10能够用于检测特定波长的入射的电磁辐射15。如果天线21、31是针对特定波长的入射的电磁辐射15而优化的，则对其他波长的辐射而言，它的响应性将不会很好。这可以意味的是，对于其它波长而言，天线21、31将不会同样多地变热。这担当针对环境电磁辐射的过滤器。这可以使得即使在白天期间或当有可见光入射到装置10时，装置10能够用作热成像传感器，因为天线21、31可以被配置为以便可见光将不导致天线21、31和将被检测的热电材料4的充分加热。这将高效地过滤掉不希望的波长。
不像电容式传感器，在如上所述的装置中的传感器1的响应不依赖于传感器1的尺寸。天线21、31放大入射辐射的加热效果，其可以使得传感器1的尺寸能够被减少而不减少装置10的敏感度。
装置10还提供稳定态响应。与仅检测在温度中的变化的电容式传感器不同，装置10提供热电材料4的局域电场的测量。因为局域电场与温度成比例，因此石墨烯的传导性也与温度成比例。这使得石墨烯7能够提供实际温度的测量而不是温度中的变化。因此，不需要斩断入信号，这可以允许输出信号的更大的幅度和/或信噪比。
图4说明了设备41。设备41可以用作热成像设备或热传感器。
设备41可以包括多个如上所述的装置10。在图4的特定实施例中，该设备包括多个装置10，该多个装置10具有如以上关于图3描述的等离子天线31。将了解的是，在其它实施例中，设备41也可以包括：多个装置10，该多个装置10具有如以上关于图2描述的天线21。在一些实施例中，设备41可以包括：具有正常天线21的装置1和具有等离子天线31的装置1。
在图4的特定实施例中，在设备41内提供了四个装置10。将了解的是，在本公开的其它实施例中可以任何数量的装置10。
在设备41中，四个装置10中的每个装置具有天线31，该天线31被配置为具有与其它天线31中的每个天线不同的谐振波长。多个天线31中的每个天线可以是不同的尺寸31，以便它们具有不同的谐振波长。在其它实施例中，天线可以具有不同的形状，以便它们响应于不同的波长。
因此，设备41包括多个装置10，其中每个装置10被配置为响应于不同波长的入射的电磁辐射15。这使得设备41能够测量不同波长或波长带宽的入射辐射。设备41是有颜色的(chromatic)，在于它是波长选择型的。
这可以使得能够由设备获得更详细的信息。这可以使得光谱信息能够从入射的电磁辐射15来获得，其可以使得能够获得电磁辐射的更准确的解释。设备41可以使得能够做出入射的电磁辐射15的更准确的测量。
在一些实施例中，设备41可以包括：一些装置10，它们被配置为检测在光谱的红外区域中的入射的电磁辐射15，或一些装置10，它们被配置为检测在光谱的可见光区域中的入射的电磁辐射15。这可以使得红外辐射的加热效果与在光谱的可见光区域中的辐射的加热效果被分开地测量。这可以使得即使在白天或当在光谱的可见光区域中有高水平的入射的电磁辐射15时，设备41也能够用作热传感器。
在以上描述中，词语耦合构件操作地耦合，以及任何数量或组合的介于中间的元件可以存在，包含没有介于中间的元件。
在这个文档中使用的词语“包括”具有包含性而没有排他性含义。也就是说，对包括Y的X的任何提及指示的是，X可以包括仅一个Y或可以包括不只一个Y。如果旨在使用具有排他性含义的“包括”，则将通过提及“包括仅一个”或通过使用“由…组成”在上下文中对它解释清楚。
在这个简要描述中，已经参照了各种实施例。与实施例有关的特征或功能的描述指示的是，那些特征或功能存在于该实施例中。在文本中的词语“实施例”或“例如”或“可以”的使用表示的是(不管是否明确的阐明)，此类特征或功能存在于至少所描述的实施例中，而不管是否被描述成实施例，以及它们可以(但是不是必须)存在于其它实施例中的一些实施例或所有其它实施例中。因此，“实施例”、“例如”或“可以”指的是在实施例类别中的特定实例。实例的属性可以是仅该实例的属性或该类别的属性或该类别的子类别(其包含该类别中的一些实例而不是所有实例)的属性。
尽管已经在先前段落中参照各种示例描述了本发明的实施例，但是应当了解的是，可以在不背离本发明的范围的情况下，做出针对给定实施例的修改。例如，所描述的装置10可以用于红外辐射，然而将了解的是，在其它实施例中，装置10也可以用于其它频率的辐射。
可以以不同于明确描述的组合的组合来使用在先前描述中描述的特征。
尽管已经参照某些特征描述了功能，但是那些功能可以由其它特征来完成而不管是否描述。
尽管已经参照某些实施例描述了特征，但是那些特征也可以存在于其它实施例中而不管是否描述。
尽管在上述说明书中尽力着重于被认为具有特别重要性的本发明的那些特征，但是应当理解的是，申请人要求保护关于任何可专利的特征或上文所参照的和/或在附图中示出的特征的组合而不管是否对它们进行了特别强调。

Claims (15)

1.一种装置，包括：
传感器，其被配置为感测电磁辐射，其中所述传感器包括感测部和转换部，所述感测部包括热电材料，所述热电材料被配置为响应于入射的电磁辐射，所述转换部被配置为将所述热电材料的响应转变为输出信号；以及
至少一个天线，其被配置为将所述电磁辐射引导到所述传感器上。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述转换部包括石墨烯。
3.根据前述权利要求中的任何一项所述的装置，其中所述转换部接近所述热电材料而被放置，以便在所述热电材料内的电荷分布中的变化影响由所述转换部提供的输出信号。
4.根据前述权利要求中的任何一项所述的装置，其中所述转换部覆盖所述感测部而被放置。
5.根据前述权利要求中的任何一项所述的装置，其中所述转换部在源接触和漏接触之间延伸。
6.根据权利要求5所述的装置，其中至少一个天线耦合到接触中的至少一个接触。
7.根据前述权利要求中的任何一项所述的装置，其中所述至少一个天线包括等离子天线。
8.根据前述权利要求中的任何一项所述的装置，其中所述至少一个天线被配置为将来自所述电磁辐射的能量聚集到所述传感器上以放大所述入射的电磁辐射对所述传感器的影响。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述至少一个天线被配置为放大入射辐射对所述热电材料的加热效果。
10.根据前述权利要求中的任何一项所述的装置，其中针对所述传感器提供多个天线。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述多个天线具有不同的谐振波长。
12.根据前述权利要求中的任何一项所述的装置，其中至少一个天线被配置为具有在电磁光谱的红外区域中的谐振波长。
13.一种包括多个如权利要求1至12中的任何一项所述的装置的设备。
14.根据权利要求13所述的设备，其中不同的装置包括被配置为具有不同谐振波长的天线。
15.一种包括多个如权利要求1至12中的任何一项所述的装置的热成像设备。
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